別再被序列化搞懵了！用人話告訴你 C++ 里 JSON 和 ProtoBuf 到底咋玩
作者：xiaokang1998
今天咱們來聊聊一個(gè)聽起來很高大上，但其實(shí)超級(jí)實(shí)用的話題——C++序列化。
今天咱們來聊聊一個(gè)聽起來很高大上，但其實(shí)超級(jí)實(shí)用的話題——C++序列化。
先別慌，我知道你現(xiàn)在腦子里可能有好幾個(gè)問題：
- 序列化是個(gè)啥玩意兒？
- JSON不是前端的東西嗎？
- ProtoBuf又是什么鬼？
- 它們倆誰更厲害？
別著急，今天我就用最接地氣的話給你掰扯明白。保證看完之后，你不僅知道這些是什么，還能上手寫代碼！
一、序列化到底是啥？先來個(gè)生活化的理解
想象一下，你要給遠(yuǎn)方的朋友寄一個(gè)玩具汽車。你能直接把汽車扔進(jìn)郵筒嗎？當(dāng)然不行！你得先把它拆開，放進(jìn)盒子里，貼上標(biāo)簽，這樣郵遞員才能送到朋友那里。朋友收到后，再按照說明書把汽車重新組裝起來。
這個(gè)過程就是序列化！
- 拆車裝盒 = 序列化（把內(nèi)存中的對(duì)象轉(zhuǎn)換成可傳輸?shù)母袷剑?/li>
- 重新組裝 = 反序列化（把傳輸格式還原成內(nèi)存中的對(duì)象）
在編程世界里，我們經(jīng)常需要：
- 把數(shù)據(jù)存到文件里
- 通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)
- 在不同程序間傳遞信息
這時(shí)候就需要序列化了！因?yàn)閮?nèi)存里的對(duì)象就像那個(gè)玩具汽車，不能直接"郵寄"。
二、JSON：網(wǎng)紅選手，人見人愛
1. JSON是什么？
JSON全稱是JavaScript Object Notation，但別被名字騙了，它早就不是 JavaScript 的專利了?，F(xiàn)在幾乎所有編程語言都支持JSON，因?yàn)樗袀€(gè)超大的優(yōu)點(diǎn)：人類看得懂！
看看這個(gè)例子：
{
"name": "張三",
"age": 25,
"city": "北京",
"hobbies": ["游戲", "電影", "音樂"]
}是不是一眼就看明白了？這就是JSON的魅力，連你奶奶都能看懂（好吧，可能有點(diǎn)夸張）。
22. C++怎么玩JSON？
C++本身不支持JSON，但有很多優(yōu)秀的庫。我推薦用nlohmann/json，因?yàn)樗闷饋砭拖窈人粯雍?jiǎn)單。
首先，咱們看看怎么把C++對(duì)象變成JSON：
#include <nlohmann/json.hpp>
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
using json = nlohmann::json;
using namespace std;
// 定義一個(gè)人的結(jié)構(gòu)體
struct Person {
string name;
int age;
string city;
vector<string> hobbies;
};
int main() {
// 創(chuàng)建一個(gè)人
Person p = {"張三", 25, "北京", {"游戲", "電影", "音樂"}};
// 序列化：把對(duì)象變成JSON
json j;
j["name"] = p.name;
j["age"] = p.age;
j["city"] = p.city;
j["hobbies"] = p.hobbies;
// 輸出JSON字符串
cout << "序列化結(jié)果：" << endl;
cout << j.dump(4) << endl; // 4表示縮進(jìn)4個(gè)空格，好看一些
return 0;
}
// 編譯命令：g++ -o test test.cpp運(yùn)行結(jié)果：
序列化結(jié)果：
{
"age": 25,
"city": "北京",
"hobbies": [
"游戲",
"電影",
"音樂"
],
"name": "張三"
}再看看反序列化，把JSON變回對(duì)象：
#include <nlohmann/json.hpp>
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
using json = nlohmann::json;
using namespace std;
struct Person {
string name;
int age;
string city;
vector<string> hobbies;
// 方便輸出的函數(shù)
void print() {
cout << "姓名: " << name << endl;
cout << "年齡: " << age << endl;
cout << "城市: " << city << endl;
cout << "愛好: ";
for(const auto& hobby : hobbies) {
cout << hobby << " ";
}
cout << endl;
}
};
int main() {
// 假設(shè)這是從網(wǎng)絡(luò)或文件讀取的JSON字符串
string json_str = R"({
"name": "李四",
"age": 30,
"city": "上海",
"hobbies": ["讀書", "旅游", "攝影"]
})";
// 反序列化：把JSON變成對(duì)象
json j = json::parse(json_str);
Person p;
p.name = j["name"].get<string>(); // 顯式轉(zhuǎn)換為string
p.age = j["age"].get<int>(); // 顯式轉(zhuǎn)換為int
p.city = j["city"].get<string>(); // 顯式轉(zhuǎn)換為string
p.hobbies = j["hobbies"].get<vector<string>>(); // 顯式轉(zhuǎn)換為vector<string>
cout << "反序列化結(jié)果：" << endl;
p.print();
return 0;
}
// 編譯命令：g++ -o test test.cpp運(yùn)行結(jié)果：
反序列化結(jié)果：
姓名: 李四
年齡: 30
城市: 上海
愛好: 讀書 旅游 攝影3. JSON的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：
- 人類可讀，調(diào)試超方便
- 支持的語言多，幾乎通用
- 語法簡(jiǎn)單，學(xué)習(xí)成本低
- Web開發(fā)的標(biāo)配
缺點(diǎn)：
- 體積比較大（因?yàn)橐鎯?chǔ)字段名）
- 解析速度相對(duì)較慢
- 不支持二進(jìn)制數(shù)據(jù)
- 沒有數(shù)據(jù)類型驗(yàn)證
三、ProtoBuf：性能怪獸，Google出品
1. ProtoBuf是個(gè)啥？
Protocol Buffers（簡(jiǎn)稱ProtoBuf）是Google開發(fā)的序列化協(xié)議。如果說 JSON 是個(gè)顏值擔(dān)當(dāng)，那 ProtoBuf 就是個(gè)實(shí)力派。它的特點(diǎn)就是：快！?。?qiáng)！
但有個(gè)小缺點(diǎn)：人類看不懂。序列化后的數(shù)據(jù)是二進(jìn)制的，就像這樣：
\x08\x96\x01\x12\x04\xE5\xBC\xA0\xE4\xB8\x89\x1A\x06\xE5\x8C\x97\xE4\xBA\xAC...看懵了吧？這就是為什么它快的原因——計(jì)算機(jī)處理二進(jìn)制比處理文本快多了。
2. ProtoBuf怎么用？
使用ProtoBuf需要先定義一個(gè).proto文件，描述數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：
// person.proto
syntax = "proto3";
message Person {
string name = 1;
int32 age = 2;
string city = 3;
repeated string hobbies = 4;
}然后用protoc編譯器生成C++代碼：
protoc --cpp_out=. person.proto這會(huì)生成person.pb.h和person.pb.cc文件。
接下來就能在C++里用了：
#include <iostream>
#include <fstream>
#include "person.pb.h"
using namespace std;
int main() {
// 創(chuàng)建Person對(duì)象
Person person;
person.set_name("王五");
person.set_age(28);
person.set_city("深圳");
person.add_hobbies("編程");
person.add_hobbies("健身");
person.add_hobbies("美食");
// 序列化到字符串
string serialized_data;
person.SerializeToString(&serialized_data);
cout << "序列化完成，數(shù)據(jù)大小: " << serialized_data.size() << " 字節(jié)" << endl;
// 模擬網(wǎng)絡(luò)傳輸或文件存儲(chǔ)...
// 反序列化
Person new_person;
new_person.ParseFromString(serialized_data);
cout << "反序列化結(jié)果：" << endl;
cout << "姓名: " << new_person.name() << endl;
cout << "年齡: " << new_person.age() << endl;
cout << "城市: " << new_person.city() << endl;
cout << "愛好: ";
for(int i = 0; i < new_person.hobbies_size(); ++i) {
cout << new_person.hobbies(i) << " ";
}
cout << endl;
return 0;
}
// 編譯命令：g++ -o test test.cpp person.pb.cc -lprotobuf -pthread運(yùn)行結(jié)果：
序列化完成，數(shù)據(jù)大小: 31 字節(jié)
反序列化結(jié)果：
姓名: 王五
年齡: 28
城市: 深圳
愛好: 編程 健身 美食3. ProtoBuf的優(yōu)缺點(diǎn)
優(yōu)點(diǎn)：
- 體積超小，壓縮效果好
- 序列化/反序列化速度飛快
- 跨語言支持好
- 有版本兼容性（向前向后兼容）
- 自動(dòng)生成代碼，減少出錯(cuò)
缺點(diǎn)：
- 人類不可讀，調(diào)試?yán)щy
- 需要預(yù)先定義schema
- 學(xué)習(xí)成本相對(duì)較高
- 不支持動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)
四、性能大PK：數(shù)據(jù)說話
好了，說了這么多，到底誰更強(qiáng)？咱們用實(shí)際數(shù)據(jù)說話！
我做了個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試，用相同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別用 JSON 和 ProtoBuf 進(jìn)行 1 萬次序列化和反序列化操作：
#include <chrono>
#include <iostream>
#include <nlohmann/json.hpp>
#include "person.pb.h"
using namespace std;
using namespace std::chrono;
struct TestResult {
int serialize_time_ms;
int deserialize_time_ms;
size_t single_size;
size_t total_size;
};
TestResult test_json() {
const int iterations = 10000;
TestResult result = {};
// 測(cè)試數(shù)據(jù)
nlohmann::json test_data = {
{"name", "測(cè)試用戶名字比較長一些"},
{"age", 25},
{"city", "這是一個(gè)比較長的城市名稱"},
{"hobbies", {"愛好1描述比較長", "愛好2描述比較長", "愛好3描述比較長"}}
};
// 序列化測(cè)試
auto start = high_resolution_clock::now();
vector<string> results;
for(int i = 0; i < iterations; ++i) {
results.push_back(test_data.dump());
}
auto end = high_resolution_clock::now();
result.serialize_time_ms = duration_cast<milliseconds>(end - start).count();
// 計(jì)算大小
result.single_size = results[0].size();
for(const auto& r : results) result.total_size += r.size();
// 反序列化測(cè)試
start = high_resolution_clock::now();
for(const auto& data : results) {
auto j = nlohmann::json::parse(data);
// 模擬使用數(shù)據(jù)
string name = j["name"];
}
end = high_resolution_clock::now();
result.deserialize_time_ms = duration_cast<milliseconds>(end - start).count();
return result;
}
TestResult test_protobuf() {
const int iterations = 10000;
TestResult result = {};
// 序列化測(cè)試
auto start = high_resolution_clock::now();
vector<string> results;
for(int i = 0; i < iterations; ++i) {
Person person;
person.set_name("測(cè)試用戶名字比較長一些");
person.set_age(25);
person.set_city("這是一個(gè)比較長的城市名稱");
person.add_hobbies("愛好1描述比較長");
person.add_hobbies("愛好2描述比較長");
person.add_hobbies("愛好3描述比較長");
string serialized;
person.SerializeToString(&serialized);
results.push_back(serialized);
}
auto end = high_resolution_clock::now();
result.serialize_time_ms = duration_cast<milliseconds>(end - start).count();
// 計(jì)算大小
result.single_size = results[0].size();
for(const auto& r : results) result.total_size += r.size();
// 反序列化測(cè)試
start = high_resolution_clock::now();
for(const auto& data : results) {
Person person;
person.ParseFromString(data);
// 模擬使用數(shù)據(jù)
string name = person.name();
}
end = high_resolution_clock::now();
result.deserialize_time_ms = duration_cast<milliseconds>(end - start).count();
return result;
}
int main() {
cout << "=== JSON vs ProtoBuf 性能大PK ===" << endl << endl;
auto json_result = test_json();
auto pb_result = test_protobuf();
// 直觀對(duì)比輸出
cout << "測(cè)試結(jié)果對(duì)比 (10000次操作)" << endl;
cout << "┌──────────────┬─────────────┬─────────────┬──────────────┐" << endl;
cout << "│ 指標(biāo) │ JSON │ ProtoBuf │ ProtoBuf優(yōu)勢(shì) │" << endl;
cout << "├──────────────┼─────────────┼─────────────┼──────────────┤" << endl;
printf("│ 序列化耗時(shí) │ %8dms │ %8dms │ 快 %.1fx倍 │\n",
json_result.serialize_time_ms, pb_result.serialize_time_ms,
(float)json_result.serialize_time_ms / pb_result.serialize_time_ms);
printf("│ 反序列化耗時(shí) │ %8dms │ %8dms │ 快 %.1fx倍 │\n",
json_result.deserialize_time_ms, pb_result.deserialize_time_ms,
(float)json_result.deserialize_time_ms / pb_result.deserialize_time_ms);
printf("│ 單個(gè)對(duì)象大小 │ %8zu字節(jié)│ %8zu字節(jié)│ 小 %4.1f%% │\n",
json_result.single_size, pb_result.single_size,
(float)(json_result.single_size - pb_result.single_size) * 100 / json_result.single_size);
printf("│ 總數(shù)據(jù)大小 │ %7.1fMB │ %7.1fMB │ 小 %4.1f%% │\n",
json_result.total_size / 1024.0 / 1024.0,
pb_result.total_size / 1024.0 / 1024.0,
(float)(json_result.total_size - pb_result.total_size) * 100 / json_result.total_size);
cout << "└──────────────┴─────────────┴─────────────┴──────────────┘" << endl;
cout << "\n結(jié)論：ProtoBuf在所有指標(biāo)上都完勝JSON！" << endl;
cout << "如果傳輸10000個(gè)對(duì)象，ProtoBuf能節(jié)省 "
<< (json_result.total_size - pb_result.total_size) / 1024.0 / 1024.0
<< "MB 流量" << endl;
return 0;
}測(cè)試結(jié)果（在我的虛擬機(jī)上跑的）：
g++ -o test test.cpp person.pb.cc -lprotobuf -pthread
=== JSON vs ProtoBuf 性能大PK ===
測(cè)試結(jié)果對(duì)比 (10000次操作)
┌──────────────┬─────────────┬─────────────┬──────────────┐
│ 指標(biāo) │ JSON │ ProtoBuf │ ProtoBuf優(yōu)勢(shì) │
├──────────────┼─────────────┼─────────────┼──────────────┤
│ 序列化耗時(shí) │ 22ms │ 6ms │ 快 3.7x倍 │
│ 反序列化耗時(shí) │ 135ms │ 5ms │ 快 27.0x倍 │
│ 單個(gè)對(duì)象大小 │ 186字節(jié)│ 147字節(jié)│ 小 21.0% │
│ 總數(shù)據(jù)大小 │ 1.8MB │ 1.4MB │ 小 21.0% │
└──────────────┴─────────────┴─────────────┴──────────────┘
結(jié)論：ProtoBuf在所有指標(biāo)上都完勝JSON！
如果傳輸10000個(gè)對(duì)象，ProtoBuf能節(jié)省 0.371933MB 流量?? 注意： 測(cè)試結(jié)果跟數(shù)據(jù)大小和數(shù)量有關(guān)，數(shù)據(jù)越大、數(shù)量越多，ProtoBuf優(yōu)勢(shì)越明顯。建議用自己項(xiàng)目的真實(shí)數(shù)據(jù)測(cè)試一下！
五、實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景：該選誰？
選JSON的情況：
- Web開發(fā)：前后端通信的標(biāo)配
- 配置文件：需要人工編輯的配置
- API接口：特別是REST API
- 調(diào)試頻繁：需要經(jīng)常查看數(shù)據(jù)內(nèi)容
- 快速原型：開發(fā)初期，快速驗(yàn)證想法
選ProtoBuf的情況：
- 高性能要求：游戲、實(shí)時(shí)系統(tǒng)
- 網(wǎng)絡(luò)帶寬有限：移動(dòng)端應(yīng)用
- 大數(shù)據(jù)傳輸：微服務(wù)間通信
- 短期/臨時(shí)存儲(chǔ)：緩存、消息隊(duì)列
- 跨語言通信：不同語言的服務(wù)間通信
六、小結(jié)：選擇建議
最后，給你一個(gè)選擇建議：
如果你是新手，建議先學(xué)JSON：
- 上手簡(jiǎn)單，出錯(cuò)率低
- 調(diào)試方便，看得見摸得著
- 資料多，遇到問題容易解決
如果你追求性能，上ProtoBuf：
- 速度快，體積小
- 適合生產(chǎn)環(huán)境的高并發(fā)場(chǎng)景
- 跨語言支持好
最理想的情況：兩個(gè)都會(huì)！
- 不同項(xiàng)目用不同工具，根據(jù)需求選擇
- 團(tuán)隊(duì)內(nèi)部可以靈活應(yīng)對(duì)各種技術(shù)需求
- 面試和技術(shù)交流時(shí)更有底氣
寫在最后
序列化這個(gè)話題，說簡(jiǎn)單也簡(jiǎn)單，說復(fù)雜也復(fù)雜。關(guān)鍵是要理解它的本質(zhì)：就是為了讓數(shù)據(jù)能夠"旅行"。
就像你出門旅行要打包行李一樣，程序里的數(shù)據(jù)要"旅行"也需要打包。JSON就像是透明的行李箱，你能看到里面裝了什么；ProtoBuf就像是壓縮袋，體積小但看不見內(nèi)容。
選擇哪個(gè)，取決于你的具體需求。不過記住一點(diǎn)：沒有銀彈，只有合適的工具。
希望這篇文章能幫你理清楚序列化這個(gè)概念。如果還有不明白的地方，歡迎在評(píng)論區(qū)留言，咱們一起討論！
記?。壕幊搪飞?，我們都是學(xué)習(xí)者，一起加油！
責(zé)任編輯：趙寧寧
來源：
跟著小康學(xué)編程
